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1、第12章 辐射式传感器,12.1 红外传感器12.2 核辐射传感器,12.1 红 外 传 感 器,12.1.1 红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在1000 m， 红外线在电磁波谱中的位置如图12-1 所示。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。,图12 1 电磁波谱图,红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、 折射、散射、干
2、涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。,12.1.2 红外探测器 红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元等组成。 按探测机理的不同，分为热探测器和光子
3、探测器 1. 热探测器工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。,热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型热释电效应: 即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象热释电型传感器: 用此效应制成的“铁
4、电体”， 其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷,2. 光子探测器工作机理：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。,12.1.3 红外传感器的应用 1. 红外感应系统 2. 红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段
5、的辐射通量来测量温度的。 当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。,图12 5 红外测温仪方框图,图12 6 几种气体对红外线的透射光谱,3. 红外线气体分析仪,CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m,图12 7 红外线气体分析仪结构原理图,光源：由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。 测量气室中通入被分析气体，参比气
6、室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后， 气体温度升高，导致室内压力增大。,12.2 核辐射传感器,12.2.1 核辐射及其性质 众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就是原子， 每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。 假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、X射线等，这种现象称为核辐射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。,实验表明
7、，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即,(12 - 1),式中： J0开始时的放射源强度； J经过时间为t以后的放射源强度； 放射性衰变常数。,放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命)，且对放射出来的射线能量也有一定要求， 因此常用的放射性同位素只有20种左右，例如Sr90（锶）、Co60（钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。,1. 射线 放射性同位素原子核中可以发射出粒子。粒子的质量为4.002 775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为
8、氦原子核，这种粒子流通常称作射线。 放射出粒子后同位素的原子序数将减少两个单位而变为另一个元素。它从核内射出的速度为20km/s，粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。 电离：射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自由电子，从而产生一对由自由电子和正离子组成的离子对散射：离子在物质中运动时会改变运动方向,2. 射线 粒子的质量为0.000 549 u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为100 keV几兆电子伏特。粒子的运动速度均较粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。 粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子或原子发生电
9、离，电离作用较小，质量小易被散射。粒子在穿经物质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等作用， 使粒子的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律：,J=J0e-h,(12 - 2),式中：J0和J粒子穿经厚度为h、密度为的吸收体前后的强度； 线性吸收系数。,3. 射线 原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程称为衰变（或称跃迁）。 发生跃迁时所放射出的射线称射线或光子。 对于放射性同位素核衰变时放射的射线，或者内层轨道电子跃迁时发射的X射线，它们和物质作用的主要形式为光电效应。当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子， 光
10、子则被吸收，这种现象称为光电效应。光电效应也伴随有次级辐射产生。当射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果， 它的强度将减弱， 它也遵循如式(12 - 2)所示的指数衰减规律。 与射线相比，射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大， 在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、 金属厚度计和物位计等。,12.2.2 核辐射探测器 核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与测量参数有关，因此它可以探测出被测
11、参数的大小及变化。这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。 当前常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。,1. 电离室 利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器,图12 8 电离室的结构示意图,图12 9 电离室的特性曲线,电离室内所充气体的压力、极板的大小和两极间的距离对电离电流都有较大的影响，例如增大气体压力或增大电极面积都会使电离电流增大。 ,图12 10 差分电离室,在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个电离室。为了使两个电离室的特性一样， 以减少测量误
12、差，通常设计成差分电离室， 在高电阻上流过的电流为两个电离室收集的电流之差，这样可以避免高电阻、 放大器、 环境温度等变化而引起的测量误差。 ,气体电离- 芯线近旁电场密度高电子碰撞-新的离子对-气体放大-阳离子离开气体放大区域而产生输出脉冲输出脉冲大小-电子正离子对数目-气体吸收的放射线能量,2. 正比计数管,图12 11 正比计数管的结构模型,正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很细，阴极直径较大，这主要是为了在外加电压较小的情况下， 使阳极附近仍能有很强的电场，以便有足够大的气体放大倍数。 正比计数管可以在很宽的能量范围内测定入射粒子的能量， 能量分辨率相当高，分辨时间很短，
13、并且可作快速计数。,3. 盖革-弥勒计数管 根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器。它与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电区域， 具有放大作用。,图12 12 盖革-弥勒计数管,图12 13 盖革-弥勒计数管特性曲线,4. 闪烁计数器 物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的现象称为闪烁现象。能产生这样发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能， 然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。,图12 14 闪烁计数器,按化学组成成分可分为有机和无机按物质形态分则可分为固态、液态和塑料通常使用固态闪烁体， 其中有银激活
14、的硫化锌ZnS(Ag)、 铊激活的碘化钠NaI(T1)、铊激活的碘化铯CsI(T1)、 金激活的碘化锂LiI(Au)等。 有机闪烁体中应用最广的有蒽、芪、三联苯和萘等。,表12 1 主要的闪烁晶体及检测对象,5. 半导体探测器 半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停止。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而X射线或射线由于光电效应、 康普顿散射、 电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况相同的过程而产生电子和空穴。若取出这些生成的电荷， 可以将放射线变为电信号。 就半导体而
15、言，主要使用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等材料也进行了研究。目前, 开发的半导体传感器有PN结型传感器、 表面势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。,12.2.3 核辐射传感器的应用 1. 核辐射厚度计射到探测器的透射射线强度J和物体厚度t的关系为,J=J0e-t,(12-3),或,(12-4),式中：被测材料的密度； 被测材料对所用射线的质量吸收系数； J0没有被测物体时射到探测器处的射线强度。,图12 15 透射式厚度计,透射式,图12 16 零位法透射式厚度计,零位法透射式,射线强度与散射体厚度之间的关系式为,J散=J饱和（1-e-kt）,(12-5),式中：t和散射体的
16、厚度和密度； J散和J饱和厚度为t和厚度为“无限大”时的后向散射射线强度； k与射线能量有关的系数。,后向散射式,图12 17 散射式厚度测量,2. 辐射式物位计,图 12 15 辐射式物位计的测量原理框图,(a)是定点测量，不能进行物位的连续测量(b) 连续测量，但是测量范围比较窄(一般为300500 mm)， 测量准确度较低。 (c) 线状的射线源及 (d)线状的探测器可以适应宽量程的需要， 又可以改善线性特性。,3. X荧光材料成分分析仪 射到物质上的核辐射所产生的次级辐射称为次级荧光射线（如特征X射线），荧光射线的能谱和强度与物质的成分、厚度及密度等有关。利用荧光效应可以检测覆盖层厚度
17、、物质成分、 密度和固体颗粒的粒度等参数。 荧光式材料成分分析仪具有分析速度快，精度高，灵敏度高，应用范围广，成本低，易于操作等优点，已经得到广泛应用。 能量色散X射线荧光成分分析仪是根据初级射线从样品中激发出来的特征X射线荧光对材料成分进行定性分析和定量分析的。即初级射线从样品中激发出来的多种能量的各组成元素的特征X射线射入探测器，该探测器输出一个和射入其中的X射线能量成正比的脉冲， 这些脉冲输给脉冲高度分析器、定标器和显示记录仪器，给出以X射线荧光能量为横坐标的能谱曲线，由能谱曲线的峰位置及峰面积的大小，就可以求出样品中含有什么元素及它的质量含量。,图12 16 X射线荧光分析仪的,由放射
18、源、探测器、 样品台架孔板、滤光片和安全屏蔽快门等组成。在X荧光分析仪中，低能射线源和X射线源用得最多。 常用的探测器有正比计数管、闪烁计数管和锂漂移硅半导体探测器。初级射线-样品中激发出来的多种能量的各组成元素的特征X射线-探测器输出一个和射入其中的X射线能量成正比的脉冲， 这些脉冲输给脉冲高度分析器、定标器和显示记录仪器，给出以X射线荧光能量为横坐标的能谱曲线，由能谱曲线的峰位置及峰面积的大小，就可以求出样品中含有什么元素及它的质量含量。 ,图12 17 散射角示意图,放射源、样品和探测器间的几何布置也是一个重要问题。 散射角的选择取决于所用射线能量、探测器形式和所测样品。选择合适的散射角可以使能谱曲线上的散射峰和散射光子的逃逸峰对所测荧光峰的干扰最小。最常用的散射角为90180，这种布置可使探头结构简单、尺寸较小、使用方便。,